В конце 19 столетия сформировалась отрасль биологии, названная биохимией. Она изучает химический состав живой клетки. Главная задача науки – познание особенностей обмена веществ и энергии, регулирующих жизнедеятельность растительных и животных клеток.
Понятие о химическом составе клетки
В результате тщательных исследований учёными была изучена химическая организация клеток и установлено, что живые существа имеют в своем составе более 85 химических элементов. Причём некоторые из них обязательны практически для всех организмов, а другие специфичны и встречаются у конкретных биологических видов. А третья группа химических элементов присутствует в клетках микроорганизмов, растений и животных в достаточно малых количествах. Химические элементы в состав клеток входят чаще всего в виде катионов и анионов, из которых образуются минеральные соли и вода, а также синтезируются углеродсодержащие органические соединения: углеводы, белки, липиды.
Органогенные элементы
В биохимии к ним относятся карбон, гидроген, оксиген и нитроген. Их совокупность составляет в клетке от 88 до 97% от других химических элементов, находящихся в ней. Особенно важен карбон. Все органические вещества в составе клетки состоят из молекул, содержащих в своём составе атомы углерода. Они способны соединяться между собой, образуя цепи (разветвлённые и неразветвленные), а также циклы. Эта способность углеродных атомов лежит в основе поразительного разнообразия органических веществ, входящих в состав цитоплазмы и клеточных органоидов.
Например, внутреннее содержимое клетки состоит из растворимых олигосахаридов, гидрофильных белков, липидов, различных видов рибонуклеиновой кислоты: транспортной РНК, рибосомальной РНК и информационной РНК, а также свободных мономеров – нуклеотидов. Подобный химический состав имеет и клеточное ядро. Оно также содержит молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, входящие в состав хромосом. Все вышеперечисленные соединения имеют в своём составе атомы нитрогена, карбона, оксигена, гидрогена. Это является доказательством их особенно важного значения, так как химическая организация клеток зависит от содержания органогенных элементов, входящих в состав клеточных структур: гиалоплазмы и органелл.
Макроэлементы и их значения
Химические элементы, которые также очень часто встречаются в клетках различных видов организмов, в биохимии называются макроэлементами. Их содержание в клетке составляет 1,2% – 1,9%. К макроэлементам клетки относятся: фосфор, калий, хлор, сера, магний, кальций, железо и натрий. Все они выполняют важные функции и входят в состав различных клеточных органелл. Так, ион двухвалентного железа присутствует в белке крови – гемоглобине, который транспортирует кислород (в этом случае он называется оксигемоглобин), углекислый газ (карбогемоглобин) или угарный газ (карбоксигемоглобин).
Ионы натрия обеспечивают важнейший вид межклеточного транспорта: так называемый натрий-калиевый насос. Они также входят в состав межтканевой жидкости и плазмы крови. Ионы магния присутствуют в молекулах хлорофилла (фотопигмент высших растений) и участвуют в процессе фотосинтеза, так как образуют реакционные центры, улавливающие фотоны световой энергии.
Ионы кальция обеспечивают проведение нервных импульсов по волокнам, а также являются главным компонентом остеоцитов – костных клеток. Соединения кальция широко распространены в мире беспозвоночных животных, у которых раковины состоят из карбоната кальция.
Ионы хлора принимают участие в перезарядке клеточных мембран и обеспечивают возникновение электрических импульсов, лежащих в основе нервного возбуждения.
Атомы серы входят в состав нативных белков и обуславливают их третичную структуру, «сшивая» полипептидную цепь, вследствие чего формируется глобулярная белковая молекула.
Ионы калия участвуют в транспорте веществ через клеточные мембраны. Атомы фосфора входят в состав такого важного энергоёмкого вещества, как аденозинтрифосфорная кислота, а также являются важным компонентом молекул дезоксирибонуклеиновой и рибонуклеиновых кислот, являющихся главными веществами клеточной наследственности.
Функции микроэлементов в клеточном метаболизме
Около 50 химических элементов, составляющих менее 0,1% в клетках, называются микроэлементами. К ним относят цинк, молибден, йод, медь, кобальт, фтор. При незначительном содержании они выполняют очень важные функции, так как входят в состав многих биологически активных веществ.
Например, атомы цинка находятся в молекулах инсулина (гормона поджелудочной железы, регулирующего уровень глюкозы в крови), йод является составной частью гормонов щитовидной железы – тироксина и трийодтиронина, контролирующих уровень обмена веществ в организме. Медь, наряду с ионами железа, участвует в кроветворении (образовании эритроцитов, тромбоцитов и лейкоцитов в красном костном мозге позвоночных животных). Ионы меди входят в состав пигмента гемоцианина, присутствующего в крови беспозвоночных животных, например моллюсков. Поэтому цвет гемолимфы у них голубой.
Ещё меньше содержание в клетке таких химических элементов, как свинец, золото, бром, серебро. Они называются ультромикроэлементами и входят в состав растительных и животных клеток. Например, в зерновках кукурузы химическим анализом были выявлены ионы золота. Атомы брома в большом количестве входят в состав клеток слоевища бурых и красных водорослей, например саргассума, ламинарии, фукуса.
Все ранее приведённые примеры и факты объясняют, как взаимосвязаны химический состав, функции и строение клетки. Таблица, приведённая ниже, показывает содержание различных химических элементов в клетках живых организмов.
Общая характеристика органических веществ
Химические свойства клеток различных групп организмов определённым образом зависят от атомов карбона, доля которых составляет более 50% клеточной массы. Практически все сухое вещество клетки представлено углеводами, белками, нуклеиновыми кислотами и липидами, которые имеют сложное строение и большую молекулярную массу. Такие молекулы называются макромолекулами (полимерами) и состоят из более простых элементов – мономеров. Белковые вещества играют чрезвычайно важную роль и выполняют множество функций, которые и будут рассмотрены ниже.
Роль белков в клетке
Биохимический анализ соединений, входящих в живую клетку, подтверждает высокое содержание в ней таких органических веществ, как белки. Этому факту есть логическое объяснение: белки выполняют разнообразные функции и участвуют во всех проявлениях клеточной жизнедеятельности.
Например, защитная функция белков заключается в образовании антител – иммуноглобулинов, вырабатываемых лимфоцитами. Такие защитные белки, как тромбин, фибрин и тромбобластин, обеспечивают свёртываемость крови и предотвращают её потерю при травмах и ранениях. В состав клетки входят сложные белки клеточных мембран, имеющие способность распознавать чужеродные соединения – антигены. Они изменяют свою конфигурацию и сообщают клетке о потенциальной опасности (сигнальная функция).
Некоторые белки выполняют регуляторную функцию и являются гормонами, например окситоцин, вырабатываемый гипоталамусом, резервируется гипофизом. Поступая из него в кровь, окситоцин воздействует на мышечные стенки матки, вызывая её сокращение. Белок вазопрессин также выполняет регуляторную функцию, контролируя кровяное давление.
В мышечных клетках находятся актин и миозин, способные сокращаться, что обуславливает двигательную функцию мышечной ткани. Для белков характерна и трофическая функция, например, альбумин используется зародышем в качестве питательного вещества для своего развития. Белки крови различных организмов, например гемоглобин и гемоцианин, переносят молекулы кислорода – выполняют транспортную функцию. Если более энергоёмкие вещества, такие как углеводы и липиды, полностью использованы, клетка приступает к расщеплению белков. Один грамм этого вещества даёт 17, 2 кДж энергии. Одной из важнейших функций белков является каталитическая (белки-ферменты ускоряют химические реакции, протекающие в компартментах цитоплазмы). На основании вышесказанного мы убедились в том, что белки выполняют множество очень важных функций и обязательно входят в состав животной клетки.
Биосинтез белка
Рассмотрим процесс синтеза белка в клетке, который происходит в цитоплазме с помощью таких органелл, как рибосомы. Благодаря деятельности специальных ферментов, при участии ионов кальция рибосомы объединяются в полисомы. Основные функции рибосом в клетке – синтез белковых молекул, начинающийся процессом транскрипции. В результате него синтезируются молекулы иРНК, к которым и присоединяются полисомы. Затем начинается второй процесс – трансляция. Транспортные РНК соединяются с двадцатью различными видами аминокислот и приносят их к полисомам, а так как функции рибосом в клетке — это синтез полипептидов, то эти органеллы образуют комплексы с тРНК, а молекулы аминокислот связываются между собой пептидными связями, образуя макромолекулу белка.
Роль воды в процессах метаболизма
Цитологические исследования подтвердили тот факт, что клетка, строение и состав которой мы изучаем, в среднем на 70% состоит из воды, а у многих животных, ведущих водный способ жизни (например, кишечнополостных) её содержание достигает 97—98%. С учётом этого химическая организация клеток включает в себя гидрофильные (способные к растворению) и гидрофобные (водоотталкивающие) вещества. Являясь универсальным полярным растворителем, вода играет исключительную роль и напрямую влияет не только на функции, но и на само строение клетки. Таблица, представленная ниже, показывает содержание воды в клетках различных типов живых организмов.
Функция углеводов в клетке
Как мы выяснили ранее, к важным органическим веществам – полимерам - относятся также углеводы. К ним относятся полисахариды, олигосахариды и моносахариды. Углеводы входят в состав более сложных комплексов – гликолипидов и гликопротеидов, из которых построены клеточные мембраны и надмембранные структуры, например гликокаликс.
Кроме углерода, в состав углеводов входят атомы оксигена и гидрогена, а некоторые полисахариды содержат ещё азот, серу и фосфор. В клетках растений углеводов много: клубни картофеля содержат до 90% крахмала, в семенах и плодах содержание углеводов до 70%, а в животных клетках они встречаются в виде таких соединений, как гликоген, хитин и трегалоза.
Простые сахара (моносахариды) имеют общую формулу CnH2nOn и делятся на тетрозы, триозы, пентозы и гексозы. Две последние наиболее распространены в клетках живых организмов, например, рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот, а глюкоза и фруктоза принимают участие в реакциях ассимиляции и диссимиляции. Олигосахариды часто встречаются в растительных клетках: сахароза запасается в клетках сахарной свёклы и сахарного тростника, мальтоза содержится в проросших зерновках ржи и ячменя.
Дисахариды имеют сладковатый вкус и хорошо растворяются в воде. Полисахариды, являясь биополимерами, представлены в основном крахмалом, целлюлозой, гликогеном и ламинарином. К структурным формам полисахаридов относится хитин. Основная функция углеводов в клетке — энергетическая. В результате гидролиза и реакций энергетического обмена полисахариды расщепляются до глюкозы, а она затем окисляется до углекислого газа и воды. В результате один грамм глюкозы освобождает 17,6 кДж энергии, а запасы крахмала и гликогена, по сути, являются резервуаром клеточной энергии.
Гликоген откладывается в основном в мышечной ткани и клетках печени, растительный крахмал – в клубнях, луковицах, корнеплодах, семенах, а у членистоногих, например пауков, насекомых и ракообразных, главную роль в энергообеспечении играет олигосахарид трегалоза.
Углеводы отличаются от липидов и белков способностью к бескислородному расщеплению. Это чрезвычайно важно для организмов, живущих в условиях дефицита или отсутствия кислорода, например для анаэробных бактерий и гельминтов – паразитов человека и животных.
Есть ещё одна функция углеводов в клетке – строительная (структурная). Она заключается в том, что эти вещества являются опорными структурами клеток. Например, целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, хитин образует внешний скелет многих беспозвоночных и встречается в клетках грибов, олисахариды вместе с молекулами липидов и белков образуют гликокаликс – надмембранный комплекс. Он обеспечивает адгезию – слипание животных клеток между собой, приводящее к образованию тканей.
Липиды: строение и функции
Эти органические вещества, являющиеся гидрофобными (нерастворимыми в воде) можно извлечь, то есть экстрагировать из клеток с помощью неполярных растворителей, таких как ацетон или хлороформ. Функции липидов в клетке зависят от того, к какой из трёх групп они относятся: к жирам, воскам или стероидам. Жиры наиболее широко распространены во всех типах клеток.
Животные накапливают их в подкожной жировой клетчатке, нервная ткань содержит жир в виде миелиновых оболочек нервов. Он также накапливается в почках, печени, у насекомых – в жировом теле. Жидкие жиры – масла - встречаются в семенах многих растений: кедра, арахиса, подсолнечника, маслины. Содержание липидов в клетках колеблется от 5 до 90% (в жировой ткани).
Стероиды и воски отличаются от жиров тем, что они не имеют в составе молекул остатков жирных кислот. Так, стероиды – это гормоны коркового слоя надпочечников, влияющие на половое созревание организма и являющиеся компонентами тестостерона. Они также входят в состав витаминов (например, витамина Д).
Основные функции липидов в клетке – это энергетическая, строительная и защитная. Первая обусловлена тем, что 1 грамм жира при расщеплении даёт 38,9 кДж энергии – намного больше чем другие органические вещества – белки и углеводы. Кроме того, при окислении 1г жира выделяется почти 1,1 гр. воды. Именно поэтому некоторые животные имея запас жира в своем теле, могут долгое время находиться без воды. Например, суслики могут быть в спячке более двух месяцев, не нуждаясь в воде, а верблюд не пьёт воду при переходах через пустыню в течение 10–12 суток.
Строительная функция липидов заключается в том, что они являются неотъемлемой частью клеточных мембран, а также входят в состав нервов. Защитная функция липидов состоит в том, что слой жира под кожей вокруг почек и других внутренних органов защищает их от механических травм. Специфическая теплоизоляционная функция присуща животным, длительное время находящимся в воде: китам, тюленям, морским котикам. Толстый подкожный жировой слой, например, у синего кита составляет 0,5 м, он защищает животное от переохлаждения.
Значение кислорода в клеточном метаболизме
Аэробные организмы, к которым относится подавляющее большинство животных, растения и человек, используют атмосферный кислород для реакций энергетического обмена, приводящих к расщеплению органических веществ и выделению определённого количества энергии, аккумулируемого в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты.
Так, при полном окислении одного моля глюкозы, происходящего на кристах митохондрий, выделяется 2800 кДж энергии, из которых 1596 кДж (55%) запасается в виде молекул АТФ, содержащих макроэргические связи. Таким образом, основная функция кислорода в клетке – осуществление аэробного дыхания, в основе которого лежит группа ферментативных реакций так называемой дыхательной цепи, происходящих в клеточных органеллах – митохондриях. У прокариотических организмов - фототрофных бактерий и цианобактерий - окисление питательных веществ происходит под действием кислорода, диффундирующего в клетки на внутренние выросты плазматических мембран.
Нами была изучена химическая организация клеток, а также рассмотрены процессы биосинтеза белка и функция кислорода в клеточном энергетическом обмене.
